CN101419286A - 海浪色散关系的探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海浪色散关系的探测装置及探测方法，探测装置以现有探测计的高度计为基础，在沿飞行轨迹方向一定距离处，增加一个天线系统用来测量另一时刻同一空间点的高度值获取海面对时间的一阶导数，从而探测到非线性海洋现象区域的海面变化情况。本发明在现有的以线性海浪理论为基础的海洋监测领域，提出了一种非线性海洋现象区域的海面探测装置及探测方法，从而增加了海洋监测手段，为预测诸如海啸、反常波等非线性海洋极端事件提供帮助。

Description

海浪色散关系的探测装置及探测方法

技术领域

本发明属于海洋遥感技术领域，具体地讲是一种海浪色散关系的探测装置及探测方法。

背景技术

最近，诸如海啸、反常波等非线性海洋极端事件频发，非线性海面的研究受到不同领域的学者的关注。对极端海洋事件进行遥感监测与识别，具有重大科学意义和广泛应用价值。

目前，世界上有多种传感器对海洋进行监测，例如，散射计专门用来进行海面风矢量的遥感监测；辐射计专门用于海面表面温度(SST)的测量，观测时间窗口受到云层的影响；合成孔径雷达(SAR)能够全天候大范围的对海面进行监测，人们根据SAR图像，进行风矢量、海浪谱、近海海底地形、洋流及其波前等海面参数及海洋气象现象研究；高度计能为人类提供准确的海浪有效波高等海浪参数。目前的星载和机载海洋探测计，是以线性海浪理论为基础的，因此所能探测到的海洋现象及所能反演的海面参数主要是线性的，对非线性海面参数的监测能力有限。

为了能够监测非线性海洋事件，发展非线性海面监测方法及传感器是关键。然而，诸如海啸和反常波这样的强非线性海洋事件并不常见，如何从广阔的线性海面中发现非线性海洋现象区域是重点，目前没有该类仪器能满足这个要求。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种能够探测海面相应分辨单元的海浪色散关系的探测装置及探测方法，为监测海面非线性事件提供一种手段。

为了实现上述目的，本发明的探测装置以现有探测计的高度计为基础，在沿飞行轨迹方向一定距离处增加一个天线系统，用来测量另一时刻同一空间点的高度值，获取海面对时间的一阶导数。

本发明基于所述探测装置的探测方法是：将海浪看成变幅、变频、变波长的海浪，如果海面发生非线性事件，海浪变成非线性长波，对应于不同时间和空间，非线性长波的幅度、频率等参数随时空变化而改变；，以可以将海面离散化为非线性长波插值为基础，对应于探测装置的每个时间点的每个空间点(即分辨单元)，其海面高度值可以用一个延拓的固定频率和波长的正弦波在该时空点的值(简称插值)替代。

为了满足在每一点的插值精度，本发明中的插值条件必须满足：

I.在该点，正弦波与非线性长波两者的函数值相等。

II.它们的空间和时间一阶导数相等，即保证该点处的变化率相等。

III.它们的空间和时间二阶导数相等。

本发明色散关系监测原理可以概括为：

首先，探测装置测出某时刻各分辨单元的波高值，根据相邻三个分辨单元的波高值，用其插值求出一阶和二阶空间导数。

其次，探测装置的第二个天线系统收发信号与第一个天线系统发射信号的时延为：

$\mathrm{\Δt}=t_2-t_1=\frac{L}{v}$

其中L为天线之间的距离，v为探测装置的飞行速度。利用两个天线对同一分辨单元的探测值进行差商，求出一阶时间导数。

最后根据式(1)、(2)求出各参数值，并求出波数和角频率的关系ω²/k，然后比较与重力加速度的关系，

$k(x_j,t_k)=\sqrt{-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{xx}}}{\mathrm{\η}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}(x_j,t_k)=\frac{{-\mathrm{\η}}_t}{{\mathrm{\η}}_x}k(x_j,t_k)---\left(2\right)$

从而探测到非线性海洋现象区域的海面变化情况。

本发明在现有的以线性海浪理论为基础的海洋监测领域，提出了一种非线性海洋现象区域的海面探测装置及探测方法，从而增加了海洋监测手段，为预测诸如海啸、反常波等非线性海洋极端事件提供帮助。

附图说明

图1为本发明探测装置的探测示意图。

图2为具体的反常波非线性海面波高值随空间的变化图。

图3为本发明的方法探测出的色散关系随空间的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明海面色散关系探测装置：

根据探测装置探测原理，探测海面色散关系需要探测出两类数据：一是同一时刻的相邻三个分辨单元的海面高度值，二是同一分辨单元的相邻两个时刻的海面高度值。

对于第一类数据的获取，目前的高度计已经能够达到获取数据的精度要求。因此，本发明中的雷达系统是以高度计为物质基础的。

对于第二类数据的获取，目前没有相应的探测器能获得该类数据，因此，本发明需要对雷达系统进行改进，主要表现在沿迹方向增加一副雷达天线，为了提高工作效率，减轻空中载体的载荷，这两幅天线收发的信号采用同一信号处理系统进行串行处理。

本发明的海面色散关系探测方法是：

1、在具体每一点处海面高度值，可以用一个通过该点并满足与反常波的一阶和二阶导数相等的正弦波进行插值。

为了在每一点都能准确利用相应的正弦波对该点进行插值，插值必须满足：

I.在该点，正弦波与非线性长波两者的函数值相等。

II.它们的空间和时间一阶导数相等，即保证该点处的变化率相等。

III.它们的空间和时间二阶导数相等。

2、插值的正弦波对时间求一阶导数，对空间求一阶、二阶导数，对于实际海面，其表征函数为：

η＝f(x_i，t_j)                                                   (3)

在(x_i，t_j)点，用于插值的延拓正弦波及其一阶时间导数、一阶空间导数、二阶空间导数分别为：

η＝A(x_i，t_j)sin(k(x_i，t_j)x-ω(x_i，t_j)t+θ(x_i，t_j))                  (4)

η_i＝-A(x_i，t_j)ω(x_i，t_j)cos(k(x_i，t_j)x-ω(x_i，t_j)t+θ(x_i，t_j))       (5)

η_x＝A(x_i，t_j)k(x_i，t_j)cos(k(x_i，t_j)x-ω(x_i，t_j)t+θ(x_i，t_j))        (6)

η_xx＝-A(x_i，t_j)k²(x_i，t_j)sin(k(x_i，t_j)x-ω(x_i，t_j)t+θ(x_i，t_j))     (7)

从式(4)-(7)求出波数和频率(式(1)和式(2))。

利用色散关系探测装置探测出海面关系，由式(1)和式(2)看出，只需测量出(x_i，t_j)点处的海面高度值及其各类导数值η、η_l、η_x及η_xx。

3、色散关系探测装置输入参数测量方法

目前，在(x_i，t_j)点处，海面高度值的测量用高度计测量出精度较高的值f(x_i，t_j)。

对于空间一阶、二阶导数，通过相邻两个分辨单元和三个分辨单元的高度值进行差分获取，即：

${\mathrm{\η}}_x=\frac{f(x_{i+1},t_j)-f(x_i,t_j)}{x_{i+1}-x_i}---\left(8\right)$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{xx}}=\frac{f(x_{i+1},t_j)+f(x_{i-1},t_j)-2f(x_i,t_j)}{x_{i+1}-x_{i-1}}---\left(9\right)$

对于时间的一阶导数，需要探测出两个相邻的时间点的高度值进行差商，即：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{f(x_i,t_{j+1})-f(x_i,t_j)}{t_{j+1}-t_j}---\left(10\right)$

目前的高度装置无法测出同一分辨单元的相邻两个时刻的海面高度值，为了解决这个困难，本发明提出在高度计系统的基础上进行改进，使之能够测量不同时间的同一分辨单元的海面高度值。具体做法是：在沿迹方向上，添加一副天线，探测器的第二个天线系统收发信号与第一个天线系统发射信号的时延为：

$\mathrm{\Δt}=t_{j+1}-t_j=\frac{L}{v}---\left(11\right)$

其中L为天线之间的距离，v为探测计的飞行速度。利用两个天线对同一分辨单元的探测值进行差商(式(10))，求出一阶时间导数，从而探测到非线性海洋现象区域的海面变化情况。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1、一种海浪色散关系的探测装置，它以现有探测计的高度计为基础，在沿飞行轨迹方向一定距离处，增加一个天线系统用来测量另一时刻同一空间点的高度值。

2、如权利要求1所述的海浪色散关系的探测装置，其探测方法是：

第一步：探测装置测出某时刻各空间点的波高值，根据相邻三个空间点的波高值，用一个延拓的固定频率和波长的正弦波在该时空点的值求出一阶和二阶空间导数；

第二步：探测装置的第二个天线系统收发信号与第一个天线系统发射信号的时延为：

$\mathrm{\Δt}=t_2-t_1=\frac{L}{v}$

其中L为天线之间的距离，v为探测装置的飞行速度，利用两个天线对同一空间点的探测值进行差商，求出一阶时间导数；

第三步：根据如下关系求出各参数值，

$k(x_j,t_k)=\sqrt{-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{xx}}}{\mathrm{\η}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}(x_j,t_k)=\frac{-{\mathrm{\η}}_t}{{\mathrm{\η}}_x}k(x_j,t_k)---\left(2\right)$

并求出波数和角频率的关系ω²/k，然后比较与重力加速度的关系，从而探测到非线性海洋现象区域的海面变化情况。

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